Primera ley de Joule invertida: ¿el calentamiento de una resistencia produce tensión?

Question

Estaba discutiendo sobre la teoría que afirma que "todo emisor se comporta también como un receptor": ¿Los emisores son siempre receptores? Me dijeron brillantemente que esta teoría sería falsa para las luces fluorescentes y también para las resistencias, debido a que la entropía se mete con las operaciones de inversión del tiempo (¡versión condensada!).

Sin embargo, como soy curioso por naturaleza, hice este pequeño experimento: calentar una resistencia de 330 Ohm con una llama y medir su tensión con un multímetro barato. ¡Qué sorpresa al descubrir que de esta resistencia caliente fluía algo de corriente!
A 20°C, medí 0,0mV, después de ±3 segundos de calentamiento era de 0,6 mV (corriente alrededor de 1A).

¿Acabo de descubrir una especie de primera ley de Joule "invertida"? :)
¿O he cometido algún error lógico, metodológico o experimental?

Answer 1

¡Buen experimento!

Pero piensa: ¿por qué una corriente fluye en una dirección determinada y no en la otra? ¿Es el sistema de alguna manera asimétrico? Como han sugerido las otras respuestas, probablemente se trate de una corriente termoeléctrica debida al efecto Seebeck (una complicación en la que no he querido entrar para tu otra pregunta).

Pero ahora que estamos ahí, hay que probar otra cosa: ¿puedes cambiar la dirección de la corriente según la forma en que calientas la resistencia? ¿Cambia la magnitud o la dirección de la corriente cuando calientas un hilo de la resistencia frente al otro? El efecto Seebeck entra en juego en las interfaces eléctricas, donde hay asimetría, por lo que la dirección de la interfaz determinaría la dirección de la corriente.

El tema de la asimetría es otra forma de ver que no se puede invertir el calentamiento estándar de Joule: Obtendrás el mismo calentamiento para una corriente que circule en cualquier dirección a través de la resistencia. Pero si enfrías la resistencia para intentar deshacerlo, ¿en qué sentido fluiría la corriente resultante?

Answer 2

Creo que puede haber sido una manifestación de la Efecto Seebeck .

A medida que se calentaba alguna unión de metal disímil con metal en su configuración, comenzó a generar una pequeña diferencia de voltaje algo proporcional a la diferencia de temperatura. Esencialmente fue probablemente un muy pobre y no lineal termopar .

Sin embargo, no es lo contrario de la calefacción Joule.

Answer 3

Muchas de las otras respuestas están describiendo lo que viste. Yo describiré lo que tú buscabas. Te has dado cuenta de que en el calentamiento por joules, la energía de las cargas en movimiento se convierte en energía térmica. Puedes preguntar si el movimiento térmico de los átomos en la resistencia puede crear una tensión. La respuesta, como has adivinado, es que sí. Sin embargo, como el movimiento térmico de los átomos es desorganizado, no obtendrás un voltaje constante que apunte en una dirección a lo largo de la resistencia. En su lugar, obtendrás un pequeño voltaje fluctuante a través de los extremos de la resistencia. La variación de la distribución de voltajes que obtendrá es proporcional a la temperatura, por lo que el calentamiento de la resistencia aumentará efectivamente el voltaje RMS que observará. Este efecto se denomina Ruido de Johnson .

Como este ruido es débil, necesitarás un amplificador para medirlo. Aquí tienes un manual de laboratorio para un experimento sobre el ruido de Johnson del MIT que encontré en Internet si quieres intentar hacerlo tú mismo o ver cómo se haría.

Answer 4

Si una resistencia tiene un gradiente de temperatura, la velocidad térmica de los electrones en la parte caliente es mayor que la velocidad térmica de los electrones en la parte fría. Esto provoca un desequilibrio de densidad, que a su vez crea un pequeño campo eléctrico, y a su vez, una corriente.

No sé si eso es lo que ocurre en tu caso, pero sería interesante ver si puedes probar a calentar un extremo de la resistencia más que el otro y observar si la tensión medida cambia de signo.

Sin embargo, para aclararlo, no se trata de una especie de ley de Joule invertida, que es otro ejemplo de su mencionado fenómeno irreversible en el tiempo.

Answer 5

En los conductores óhmicos habituales, sometidos a diferencias de potencial relativamente pequeñas y a temperatura ambiente, existen dos movimientos diferentes realizados por los electrones libres: el movimiento térmico de los electrones (movimiento desorientado con valores típicos de velocidad del orden de $\cong 10^6 m/s$ ) y el movimiento de deriva de los electrones libres (movimiento orientado con valores típicos de la magnitud de la velocidad de deriva del orden de $\cong 10^{-3} m/s$ ).

El efecto joule "absorbe" la energía cinética -de toda la masa del conductor- de la velocidad de deriva (a través de las colisiones de los electrones libres con la red de iones) y la "convierte" en calor. Mientras que la efecto termoeléctrico es en realidad la creación de tensión a partir de la diferencia de temperatura (y no la temperatura en sí) entre dos partes -espacialmente discretas- del conductor. Estos dos fenómenos no son inversos entre sí. Citando a la Wikipedia:

Los efectos Peltier-Seebeck y Thomson son termodinámicamente reversibles, mientras que el calentamiento Joule no lo es.